【正文】 工業(yè)一直處于飛速發(fā)展的階段，特別是國家出臺的“十一五”計劃中，提出要建設(shè)超高壓直流輸電線路和特高壓交流輸電線路以加快西電東送步伐，預(yù)計我國2020年電網(wǎng)的總裝機容量將達9億kW，其中西電東送達1億kW，整個電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，全國電網(wǎng)互聯(lián)已是必然趨勢，聯(lián)網(wǎng)后對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求也提到了一個更高的層面。然而，大型電力變壓器正常運行時的勵磁電流通常低于額定電流的1%，所以適當設(shè)定差動保護動作值仍可以準確區(qū)分變壓器內(nèi)部故障與外部故障。其中，如何區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障是核心問題。1958年，RL．Sharp，W．E．GlassBurn提出了利用二次諧波鑒別變壓器勵磁涌流的方案，在模擬式保護中加以實現(xiàn)?，F(xiàn)代數(shù)學的應(yīng)用，一方面為傳統(tǒng)的變壓器保護方法提供了更有效的工具，另一方面，可提高變壓器保護的智能化程度，改善可靠性。探討利用電流作判據(jù)，利用電流電壓作識別判據(jù)和利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)與智能理論作涌流分析三大類識別勵磁涌流方法的優(yōu)缺點，對一些新的判別技術(shù)進行簡單介紹和展望。當變壓器合閘時，變壓器一次側(cè)繞組在外電壓的作用下，其繞組磁場將會發(fā)生變化，基于繞組在合閘前后瞬間磁鏈守衡原理，該繞組在磁路中將產(chǎn)生單極性的偏磁。由于鐵芯的磁通不能突變，可求得 (23)式中，是變壓器鐵芯的剩磁，其大小和方向與變壓器切除時刻的電壓有關(guān)。若鐵芯的剩磁，合閘半個周期（）后達到最大值，即。令，由圖21可得 （24）圖21 變壓器暫態(tài)磁通圖22所示的是變壓器的近似磁化曲線，鐵芯不飽和時，磁化曲線的斜率很大，勵磁電流近似為零；鐵芯飽和后，磁化曲線的斜率很小，大大增加，形成勵磁涌流。涌流越大，間斷角越小；3. 含有很大成分的非周期分量，間斷角越小，非周期分量越大；4. 含有大量的高次諧波分量，而以二次諧波為主。大型變壓器一般都是由三個單相變壓器組成的變壓器組，由于三個鐵芯的磁路完全獨立，所以以上單相變壓器勵磁涌流的分析方法也適用于這種三相變壓器。在分析過程中往往要加入許多假設(shè)和簡化條件，這樣才能求得空載合閘于最嚴重條件下的勵磁涌流特征。單相變壓器涌流在一個周期內(nèi)有左右的間斷角，三相變壓器是勵磁涌流兩相差電流的間斷角。5. 勵磁涌流對于額定電流幅值的倍數(shù)與變壓器容量的大小有關(guān)。鐵芯越飽和，電抗值越小，衰減越快。 空載合閘時變壓器磁通的變化 合閘瞬間電壓為最大值時的磁通變化在交流電路中，磁通總是滯后于外加電壓相位角?？墒?，由于鐵芯中的磁通不能突變，既然合閘前鐵芯中沒有磁通，這一瞬間仍要保持磁通為零。圖27 合閘瞬間電壓為零時的磁通變化因此，在電壓瞬時值為零時合閘情況最嚴重。這時鐵芯的飽和情況將非常嚴重，因而勵磁電流的數(shù)值大增，這就是變壓器勵磁涌流的由來。綜上所述，勵磁涌流和鐵芯飽和程度有關(guān)，同時鐵芯的剩磁和合閘時電壓的相角可以影響其大小。假設(shè)變壓器二次側(cè)短路，其暫態(tài)過程可用下式表示： (31)解微分方程得 (32) ， (33)其中，和分別為變壓器的短路電阻和短路電感。 利用電流波形特征識別勵磁涌流的方法電流波形特征識別法一直是人們研究的熱點，目前仍占據(jù)主流。二次諧波制動原理簡單明了，在常規(guī)保護中有較多的運行經(jīng)驗，數(shù)字保護實現(xiàn)比常規(guī)保護更容易，因此目前國內(nèi)外實際投入運行的數(shù)字變壓器涌流閉鎖方案大多采用該原理。2. 現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，遠距離輸電設(shè)備及靜止無功補償裝置的應(yīng)用，使得暫態(tài)故障電流中二次諧波含量也比較高，且衰減比較慢，對差動保護動作速度影響較大，甚至發(fā)生拒動。在工程應(yīng)用中一般把涌流都認為是一種準穩(wěn)態(tài)過程，對這種準穩(wěn)態(tài)的信號采用傅氏級數(shù)法將導(dǎo)致一定的計算誤差。圖32 間斷角原理實現(xiàn)流程圖若某一相判為勵磁涌流，則閉鎖該相比率差動。當?shù)邳c的數(shù)值滿足上式時稱為對稱，否則稱為不對稱。采樣值差動保護正是利用此原理按動作判據(jù)構(gòu)成的。在電流過零點前后，因其量值很小，誤差相對較大，使得和的相對關(guān)系變得較為不確定，從而導(dǎo)致采樣點的制動效果不一，必須采取相應(yīng)的措施來避開制動效果差的采樣點的影響，以保證變壓器內(nèi)部短路時可靠動作。該原理在本質(zhì)上是涌流波形的形狀、大小和變化率等多種特征量的綜合鑒別。波形比較法[8]變壓器差動保護原理的思路是根據(jù)這兩段電流波形的形狀和大小來區(qū)別勵磁涌流和故障。定義波形與過波形最小值點的水平直線所圍面積為S1，過波形最小值的水平直線與波形最大值點所成三角形的面積為S2，若則稱該波形為上下對稱波形。識別變壓器勵磁涌流的判據(jù)如下：且，則判斷為內(nèi)部故障；或，則判斷為勵磁涌流。定義 (315)上式中，S是隨時間變化的函數(shù)，表示。設(shè)為門檻值，則時判為涌流；時判為故障。由于波形自相關(guān)性的定義中不僅包含波形幅值大小、形狀的信息，而且還包含波形的相位信息，因此，文中所提出的波形相關(guān)性分析方法，不是單純地利用涌流或故障電流的單一方面的特征，而是對波形進行有機、綜合地分析。在比較勵磁涌流和故障電流形成暫態(tài)信號各自特點的基礎(chǔ)上，提出了一種變壓器保護新方案。這種突變對應(yīng)于大量的高頻成分。為了消除非周期分量的影響，將勵磁涌流進行差分，如圖35所示。由于勵磁涌流存在間斷角，故。 磁通特性識別法 鐵芯中磁通是表征變壓器飽和的一個重要物理量，磁通特性識別原理[12]就是利用磁通量的變化來識別勵磁涌流的新方法。在勵磁涌流狀態(tài)下，由于變壓器交替工作在磁化曲線的飽和段和非飽和段上，所以的值是變化的。鐵芯繞組的漏抗和空心繞組的漏抗相近，故此時變壓器的等值導(dǎo)納參數(shù)的互導(dǎo)納幾乎與變壓器的鐵芯飽和程度、短路匝數(shù)比無關(guān)。因此，可以計算出變壓器的各側(cè)對地導(dǎo)納，通過其值的變化判別變壓器是否發(fā)生內(nèi)部故障。在空載合閘產(chǎn)生勵磁涌流時，瞬時功率可能會比較大，但是其在一段時間內(nèi)的平均有功功率依然比較小。該模型不直接反映變壓器鐵芯磁通的非線性，只表達變壓器原、副繞組漏感（，）、電阻（，）、電壓（，）及電流（，）間的關(guān)系，以單相變壓器為例，有如下表達式(為簡明起見，設(shè)變比為1)： (321)當變壓器無故障時(正常運行、空載合閘、外部故障及其切除)，上式恒等；而內(nèi)部故障時，上式不再成立。1994年，ANN首次被用于變壓器差動保護，進行了勵磁涌流的辨識，之后，此類應(yīng)用便層出不窮，而且有的文獻已經(jīng)不只局限于勵磁涌流和內(nèi)部故障電流的判別，還應(yīng)用于區(qū)別變壓器的勵磁涌流、外部故障和內(nèi)部故障。 聯(lián)合時頻分析法時頻分析能清楚地揭示信號的時變頻譜特性，是對時變、非平穩(wěn)信號進行分析與處理的有力工具。所以，小波變換的出現(xiàn)立刻引起了科技界時、頻分析方法的新革命，當然也為勵磁涌流和內(nèi)部故障電流的判別帶來了福音。間斷角原理的模擬式保護裝置雖然已得到應(yīng)用，但面臨著因電流互感器傳變引起的間斷角變形問題。波形對稱原理基于對勵磁涌流導(dǎo)數(shù)波寬及間斷角的分析，是間斷角原理的推廣，且比間斷角原理容易實現(xiàn)。不再以勵磁電流的波形特征來區(qū)分內(nèi)部短路和空載合閘異常工況，是一次有益的探索。功率差動原理基于能量守恒定律，可以較真實地反映變壓器的實際運行狀況。模糊邏輯多判據(jù)方法只是變壓器勵磁涌流識別中的一個新探索，目前有很多問題難以解決，如模糊邏輯中隸屬函數(shù)與權(quán)重應(yīng)當如何選擇,這個問題的回答建立在原有認識的基礎(chǔ)上，而且需要技術(shù)人員對問題有較深入的認識。小波變換在鑒別變壓器勵磁涌流和內(nèi)部故障電流方面的應(yīng)用研究如火如荼，但一直以來主要集中于高次諧波檢測和奇異點檢測，此外并未發(fā)現(xiàn)大的突破。當前的勵磁涌流與內(nèi)部故障判別方法雖然種類繁多，但都不夠完善。廣西大學畢業(yè)設(shè)計論文 第四章 幾種常用的抑制勵磁涌流的方法第四章 幾種常用的抑制勵磁涌流的方法 空載變壓器選相投切通過控制開關(guān)的合閘以削減勵磁涌流歷來備受關(guān)注。即在合閘角為合閘，此時，變壓器內(nèi)部所產(chǎn)生的磁通接近于零，相應(yīng)的勵磁涌流也較小。在有剩磁時，變壓器的最佳合閘點便是當此預(yù)期磁通與剩磁相等時。這個接地電阻還可減弱施加在變壓器鐵心上的電壓，以阻止鐵心的飽和。這樣可以通過改變變壓器原邊或次邊繞組的分布，以增加暫態(tài)或涌流時的等效電感來抑制勵磁涌流。該方法的優(yōu)點是不論控制三相合閘角為多少，均能有效的削弱勵磁涌流。荷蘭的PGEM公司在1992年在一臺 66 MVA，150/11 kV的變壓器上做過試驗，不同的電容器值下，勵磁涌流的峰值如表41所示[18]。因此，在這里詳細地介紹一下選相投切技術(shù)。在電壓峰值處鐵芯中的感應(yīng)磁通為零，該時刻合閘將會削弱勵磁涌流，該點為零剩磁時的最佳合閘時刻。下面以連接的三芯柱變壓器為例討論選相分合閘削弱勵磁涌流的原理與控制策略。 計及剩磁的選相分合閘策略：根據(jù)變壓器三相繞組內(nèi)的磁通變化規(guī)律及原始剩磁的狀態(tài)有如下控制策略： 快速合閘策略[19]假設(shè)鐵芯剩磁狀態(tài)為，這是比較典型的情況。即以A相合閘后的工頻周期處為最佳合閘時刻，能避免B、C兩相鐵芯中的磁通飽和，從而削弱勵磁涌流。圖53 B、C磁通變化規(guī)律設(shè)，則當?shù)竭_飽和點后，還停在未飽和區(qū)，此時由于變壓器的非線性，因此B、C相繞組上電壓也不相同，則在繞組內(nèi)部，B相繞組內(nèi)磁通的變化速度要比C相繞組內(nèi)快，最后，B、C兩相內(nèi)部磁通趨于平衡，同時也消除了剩磁效應(yīng)。 相控投切策略[20]對空載電力變壓器選相分閘似乎沒有必要，但卻能有效地抑制剩磁，并能預(yù)知每相剩磁的極性、幅值等特性。 本章小結(jié)本章詳細介紹了選相投切技術(shù)的基本原理，分析了變壓器空載投切的暫態(tài)過程，同時論述了快速合閘策略、延遲合閘策略、同步合閘策略以及相控投切策略這四種控制策略。為了更好了解使用PSCAD/EMTDC，首先對PSCAD/EMTDC的功能進行了簡單介紹,接著具體就PSCAD/EMTDC在電力系統(tǒng)仿真研究中的應(yīng)用進行一些介紹。另外PSCAD/EMTDC還可以廣泛的應(yīng)用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計、電力系統(tǒng)諧波分析及其電力電子仿真。 單相變壓器勵磁涌流仿真分析為了檢測各種抑制變壓器勵磁涌流方法的效果，利用PSCAD/EMTDC建立變壓器勵磁涌流仿真分析的系統(tǒng)模型。圖61 單相變壓器空載合閘電路圖首先我們考慮不帶合閘電阻的情況。圖62 單相變壓器空載合閘系統(tǒng)圖圖63是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)仿真出的電壓初相角為時的空載變壓器合閘時的勵磁涌流波形圖，經(jīng)過實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)勵磁涌流最大峰值為2670A，約為額定電流的9倍。圖64 電壓初相角為時的單相變壓器空載合閘波形圖由于合閘時電壓的初相角對勵磁涌流的影響很大，因此在這里對在不同電壓初相角下進行合閘產(chǎn)生的勵磁涌流的最大值進行了統(tǒng)計，具體數(shù)值可看表61。 帶合閘電阻的單相變壓器勵磁涌流仿真電源初相角為時合閘空載變壓器的勵磁涌流最小，甚至可以忽略。圖65 帶合閘電阻的單相變壓器空載合閘電路圖在變壓器合閘時，先合上K1，用電源E和變壓器T之間的適當?shù)碾娮鑂來抑制沖擊電流，待沖擊電流衰減到額定電流之內(nèi)時再將合上開關(guān)K2，這樣就能有效的抑制了勵磁涌流，并且加快了合閘勵磁涌流的衰減速度。比不帶合閘電阻的斷路器合閘方案衰減速度快了50%。如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通過編程將模型輸入計算機仍會顯得十分麻煩。用MatLab/Simulink仿真與分析控制系統(tǒng)的主要流程如圖68所示。圖69 中性點直接接地的三相變壓器空載合閘系統(tǒng)圖圖610為仿真所得結(jié)果，由此可以看出中性點直接接地的三相變壓器空載合閘時，通過變壓器線圈的電流呈現(xiàn)尖頂波，波形完全偏離時間軸的一側(cè)，并且出現(xiàn)間斷角。勵磁涌流最大峰值約為額定電流的6倍。由實驗結(jié)果可知，中性點串電阻的三相變壓器空載合閘方案抑制勵磁涌流的效果明顯，%。表62 不同中性點電阻對最大勵磁涌流的衰減作用R（）15102550100200（A）32302420181713其中，R為三相變壓器中性點所串的電阻；為最大勵磁涌流。將A相斷路器在最佳時刻合閘，B、C相在個工頻周期后合閘。 本章小結(jié)本章運用MatLab軟件中的電力系統(tǒng)工具箱SimPowerSystem詳細的對單相變壓器和三相變壓器空載合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流進行了仿真實驗。并且這種削弱作用在（）是隨著合閘初相角的升高而增加的。廣西大學畢業(yè)設(shè)計論文 總 結(jié)總 結(jié)本文在理解和研究變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的原理上，簡單介紹了現(xiàn)有變壓器勵磁涌流識別和抑制的各種方法，并對單相、三相勵磁涌流進行仿真實驗。首先我要向辛勤培養(yǎng)我的指導(dǎo)老師海濤老師致以誠摯的感謝和崇高的敬意。在此，我要向海老師表示深切的致謝！此外，我還感謝廣西大學電氣工程學院的各位老師，是他們培育了我，讓我得到了良好的教育；感謝同一畢業(yè)設(shè)計小組的同學們和我的朋友們，感謝他們在這篇論文中給予我的寶貴意見；更要感謝我的父母，感謝他們在我的求學道路上的支持和無私的關(guān)懷！廣西大學畢業(yè)設(shè)計論文 附 錄附 錄（一）不同合閘初相角的單相變壓器的勵磁涌流仿真波形圖=15，=2580A=35，=2220A=55，=1590A=65，=1180A=80，=475A（二）不同中性點電阻的三相變壓器的勵磁涌流仿真波形圖R=1，=32AR=5，=30AR=10，=24AR=25，=20AR=50，=18AR=100，=17AR=200，=13A